董馨嵐, 白 哲, 李銘紅, 朱劍飛

1 浙江師范大學(xué)行知學(xué)院,金華 321000 2 浙江師范大學(xué)生態(tài)研究所,金華 321000

隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、城鎮(zhèn)化的迅猛發(fā)展,工業(yè)廢物排放和農(nóng)業(yè)化學(xué)品的使用正使大量的重金屬進(jìn)入土壤環(huán)境,造成土壤污染日趨嚴(yán)重[1]。鉛是具有高度毒害性的重金屬,與鎘、鉻、汞、砷合稱為“五毒”[2]。礦山開采、金屬冶煉、汽車廢氣是環(huán)境中鉛的主要來源,而含鉛廢水的灌溉則是造成農(nóng)田鉛污染的首要原因。銅是植物生長(zhǎng)發(fā)育過程中的必需元素,近年來逐漸增多的銅礦開采、含銅殺菌劑的頻繁使用以及含銅垃圾的不合理排放等成為土壤中銅的主要來源[3]。當(dāng)土壤含銅量超過一定閾值時(shí),不僅會(huì)導(dǎo)致土壤環(huán)境質(zhì)量下降, 還會(huì)對(duì)土壤中的動(dòng)、植物產(chǎn)生嚴(yán)重脅迫[4- 5]。據(jù)2014年全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)顯示,在調(diào)查范圍內(nèi),銅(Cu)、鉛(Pb)重金屬的超標(biāo)率分別達(dá)到2.1%、1.5%,是耕地、工業(yè)廢棄地和工業(yè)園區(qū)等地的主要污染物。倪中應(yīng)等[6]以杭州市域范圍內(nèi)27個(gè)重金屬污染農(nóng)田土壤為樣本,測(cè)得土壤中Cu、Pb含量分別在7.65—113.65 mg/kg和5.69—54.25 mg/kg范圍間, 其中有機(jī)質(zhì)結(jié)合態(tài)和氧化物結(jié)合態(tài)總比例較高, 具有中等程度的生態(tài)污染風(fēng)險(xiǎn)。楊清偉等[7]對(duì)利用鉛鋅礦廢水灌溉約50年的農(nóng)田進(jìn)行調(diào)查,結(jié)果表明,土壤中Cu、Pb的含量遠(yuǎn)超背景值,高達(dá)1486、680 mg/kg,污染嚴(yán)重。

目前,國(guó)內(nèi)外土壤重金屬污染修復(fù)技術(shù)主要包括：工程技術(shù)措施、物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)、生物修復(fù)以及農(nóng)業(yè)生態(tài)修復(fù)[8]。其中,植物修復(fù)由于其低成本、無二次污染等優(yōu)勢(shì)成為土壤生物修復(fù)研究中的熱點(diǎn),而黑麥草(LoliumperenneL.)作為我國(guó)南方普遍種植的一種優(yōu)良牧草,近年來因其生長(zhǎng)快,生物量高等特點(diǎn)得到關(guān)注。已有研究表明,黑麥草對(duì)重金屬Cu、Pb具有一定富集能力。張永蘭和王友保[9]在黑麥草對(duì)銅尾礦的修復(fù)研究中發(fā)現(xiàn)多年生黑麥草的生長(zhǎng)和吸收作用可促進(jìn)土壤中銅的活化,從而降低土壤銅含量,有效推動(dòng)銅尾礦基質(zhì)的修復(fù)進(jìn)程。宣斌等[10]對(duì)黑麥草等12種植物的Pb累積特性進(jìn)行了比較分析,認(rèn)為黑麥草具有良好的鉛修復(fù)潛力,可作為鉛鋅礦區(qū)耐性栽培植物。而針對(duì)植物富集過程中生物量下降、生長(zhǎng)速率低下等諸多限制因素[11],農(nóng)業(yè)生態(tài)修復(fù)技術(shù)所涵蓋的農(nóng)藝修復(fù)和生態(tài)修復(fù)兩方面措施可在一定程度上提高植物修復(fù)效率。相關(guān)研究表明,土壤水分影響作物的生長(zhǎng),并間接影響重金屬在土壤中的遷移和分配[12]。溫度除了對(duì)植物的蒸騰作用、光合作用等各項(xiàng)新陳代謝活動(dòng)產(chǎn)生一定的影響作用外[13-14],還會(huì)影響植物對(duì)重金屬離子的吸附,如Chao[15]等發(fā)現(xiàn)高溫預(yù)熱能在一定程度上降低Cd的毒性。同樣,化肥的施用也是改善土壤理化性質(zhì),影響株高、莖粗、葉綠素等生理指標(biāo),使植物對(duì)重金屬的吸收富集能力產(chǎn)生變化的關(guān)鍵因素。

因此,本研究以常見牧草黑麥草為供試植物,探究其在不同水分、溫度及施肥條件的交互作用下對(duì)Cu、Pb單一及復(fù)合污染的響應(yīng)情況,從而篩選出利于黑麥草吸收Cu、Pb的環(huán)境因子組合,進(jìn)一步拓寬黑麥草對(duì)重金屬Cu、Pb的修復(fù)潛力。

1 材料與方法

1.1 供試材料

黑麥草種子購(gòu)于浙江金華。采用校園周邊農(nóng)田土壤,取地表至20 cm深度土,去雜后置于陰涼通風(fēng)處自然風(fēng)干,研磨并過篩(孔徑:4 mm)備用。測(cè)得原始土壤中重金屬Cu、Pb的背景值分別為35.94、78.22 mg/kg,土壤pH值為6.8,有機(jī)質(zhì)5.13 g/kg, 全氮0.72 g/kg, 速效磷18.6 mg/kg, 速效鉀203.1 mg/kg。試驗(yàn)以分析純CuCl2·2H2O和Pb(NO3)2提供所需重金屬濃度,根據(jù)國(guó)家環(huán)境土壤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(pH>6.5,三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)),設(shè)置單一Cu、Pb污染濃度為400 mg/kg、500 mg/kg,并組成復(fù)合Cu-Pb污染濃度。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在已有單一環(huán)境因子對(duì)黑麥草富集Cu、Pb能力影響的試驗(yàn)中,曾分別設(shè)置不同持水量梯度(40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%WHC)、不同溫度梯度(5℃、10℃、15℃、20℃、25℃、30℃、35℃)、不同肥料梯度(N、P、K、NP、NK、PK、NPK)進(jìn)行單一環(huán)境因子影響探究。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果及實(shí)際生產(chǎn)可行性選取變量梯度進(jìn)行交互作用參數(shù)設(shè)置,如表1所示,所得處理組合列于表2。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

挑選籽粒飽滿、大小基本一致的優(yōu)質(zhì)牧草種子,70%的酒精消毒3 min后用去離子水洗凈吸干備用。用高15 cm,直徑20 cm的花盆裝取1.5 kg土壤,每盆播種種子30顆,每處理重復(fù)3次,盆栽數(shù)量總計(jì)81盆。試驗(yàn)所設(shè)置的水分變量指水分占土壤重量的百分比,通過稱重法[16]進(jìn)行控制,定時(shí)(5 d)割取各處理植株用以校正幼苗生長(zhǎng)對(duì)土壤水分變量所造成的誤差；通過光照培養(yǎng)箱恒溫培養(yǎng)得到各溫度變量；通過尿素(46%N)、過磷酸鈣(12%P2O5)、氯化鉀 (60%K2O)來提供所需N、P、K肥,參照占麗平等[17]研究進(jìn)行配施?？刂破渌麩o關(guān)變量保持一致,開始60 d后收獲植物和根際周圍土樣。

1.3 樣品分析

取植物樣,先用自來水充分淋洗,0.1 mol/L稀鹽酸洗凈后再用去離子水淋洗2—3次,洗凈后用濾紙吸干,稱量植株鮮重。將植株地上部與根部分開,105℃下殺青30分鐘,90℃烘干至恒重后稱量干重,研磨并過60目篩。取植物根部土壤,90℃下烘至恒重,研磨至粉末狀后過100目篩。植物樣品采用HNO3-HClO4法進(jìn)行消解,土壤樣品采用HCl-HNO3-HClO4法進(jìn)行消解。最后,采用電子耦合等離子發(fā)射光譜法(Inductively Coupledd plasma-Atomic Emission Spectrometry, ICP-AES)測(cè)定樣品中Cu、Pb含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

(1)生物富集系數(shù)(bioconcentration factor,BCF)：植物地上部或根部重金屬含量/土壤中重金屬含量

(2)轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)(transfer coefficient,TF)：植物地上部重金屬含量/植物根部重金屬含量

試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)采用Excel 2010、SPSS 20.0等軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析處理及繪圖。通過SPSS單因素方差分析ANOVA統(tǒng)計(jì)分析后,Duncan多重比較法檢驗(yàn)各處理間均值差異顯著性,一般線性模型(GLM)比較水分、溫度與施肥處理之間的二因素、三因素交互作用。

2 結(jié)果分析

2.1 Cu、Pb脅迫下環(huán)境因子交互對(duì)黑麥草生物量的影響

由圖1可知,在不同的水分、溫度及養(yǎng)分供給條件下,受Cu單一脅迫時(shí),黑麥草在90%WHC、30℃及施NPK(27)時(shí),可獲得最大莖葉干重及總生物量(P<0.05),而在90%WHC、25℃、施N(12)時(shí)植物根的生長(zhǎng)最佳。受Pb單一脅迫時(shí),黑麥草在90%WHC、30℃、施NP(24)時(shí)獲得最大的莖葉干重,且施N或NPK也能達(dá)到較好的生長(zhǎng)效果；在90%WHC、25℃、施NPK(18)時(shí)獲得最大的根干重,在90%WHC、30℃、施N(21)時(shí)整體長(zhǎng)勢(shì)最佳(P<0.05),顯著優(yōu)于其他處理組。

圖1 Cu、Pb單一及復(fù)合脅迫下不同環(huán)境因子對(duì)黑麥草生物量的影響Fig.1 The biomass of Lolium perenne L. at (three levels of water,temperature,fertilizer) (different environmental factors) under single and compound stresses of Cu and Pb

當(dāng)受到Cu-Pb復(fù)合脅迫時(shí),黑麥草地上部分的生長(zhǎng)與Cu、Pb單一脅迫時(shí)相比存在明顯的抑制作用,但仍在90%WHC、30℃及施NPK(27)時(shí)取得莖葉干重最大值,根干重在80%WHC、25℃及施N(11)處理時(shí)顯著高于其他處理組(P<0.05),且取得總生物量最大值。

2.2 Cu、Pb脅迫下環(huán)境因子交互對(duì)黑麥草Cu、Pb富集量的影響

由圖2可以看出,在不同環(huán)境因子組合下,黑麥草不同部位對(duì)Cu的吸收量有較大差異,大體上體現(xiàn)為根部富集量大于地上部。在80%WHC、25℃及施N(11)時(shí),黑麥草地上部在Cu單一脅迫下具有最大富集量444.49 mg/kg,而在Cu-Pb復(fù)合脅迫時(shí),黑麥草在70%WHC、25℃及施NPK(16)時(shí)對(duì)土壤中Cu的富集量顯著提高,具有所有處理中的最大地上富集量465.18 mg/kg。黑麥草根部在Cu單一脅迫下,在90%WHC、25℃及施NPK(18)時(shí)具有最大富集量1343.1 mg/kg,而在Cu-Pb復(fù)合脅迫下,在80%WHC、30℃及施NP(23)時(shí)才取得最大富集量1274.78 mg/kg。

圖2 Cu、Pb單一及復(fù)合脅迫下不同環(huán)境因子對(duì)黑麥草Cu富集量的影響Fig.2 The Cu enrichment in shoots and roots of Lolium perenne L. at (three levels of water,temperature,fertilizer) (different environmental factors) under single and compound stresses of Cu and Pb

由圖3可以看出,在不同環(huán)境因子組合下,黑麥草不同部位對(duì)Pb的吸收量有較大差異,但與Cu富集規(guī)律類似,也體現(xiàn)為根部富集量大于地上部。在80%WHC、30℃及施NPK(17)時(shí),黑麥草地上部在Pb單一脅迫下具有最大富集量557.46 mg/kg,而在Cu-Pb復(fù)合脅迫下,黑麥草在80%WHC、30℃及施N(20)時(shí)對(duì)土壤中Pb的富集量顯著提高,具有所有處理中的最大地上富集量597.66 mg/kg。黑麥草根部在Pb單一脅迫下,在90%WHC、25℃及施NP(15)時(shí)具有最大富集量1154.62 mg/kg,而在Cu-Pb復(fù)合脅迫下,在80%WHC、30℃及施NP(12)時(shí)才取得最大富集量1496.83 mg/kg。

根據(jù)不同環(huán)境因子將27組試驗(yàn)進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì),結(jié)果如下：在Cu單一污染時(shí),黑麥草地上部分別在溫度25℃(266.76 mg/kg)、持水量80%(167.44 mg/kg)、施NP(166.99 mg/kg)時(shí),根部分別在30℃(825.43 mg/kg)、持水量80%(854.78 mg/kg)、施N(768.00 mg/kg)時(shí)具有最大富集量。在Pb單一污染時(shí),黑麥草地上部分別在溫度30℃(316.19 mg/kg)、持水量90%(261.18 mg/kg)、施NPK(331.58 mg/kg)時(shí),根部分別在25℃(806.27 mg/kg)、持水量90%(697.24 mg/kg)、施NPK(878.84 mg/kg)時(shí)富集效果最佳。在Cu-Pb復(fù)合污染時(shí),黑麥草地上部分別在溫度25℃(204.68 mg/kg)、持水量70%(208.09 mg/kg)、施NP(188.20 mg/kg)時(shí)對(duì)Cu的富集量最大,在溫度25℃(410.79 mg/kg)、持水量80%(349.17 mg/kg)、施NP(388.81 mg/kg)時(shí)對(duì)Pb的富集量最大；根部分別在30℃(1021.82 mg/kg)、持水量70%(903.57 mg/kg)、施N(918.27 mg/kg)時(shí)對(duì)Cu的富集效果最佳,在30℃(1161.63 mg/kg)、持水量80%(1307.28 mg/kg)、施N(1182.54 mg/kg)時(shí)對(duì)Pb的富集效果最佳。數(shù)據(jù)表明,在應(yīng)對(duì)不同的重金屬脅迫時(shí),黑麥草對(duì)溫度、水分及肥料的最適范圍表現(xiàn)出差異性,當(dāng)三者共同作用時(shí),還會(huì)產(chǎn)生交互影響,形成最適處理組合。

圖3 Cu、Pb單一及復(fù)合脅迫下不同環(huán)境因子對(duì)黑麥草Pb富集量的影響Fig.3 The Pb enrichment in shoots and roots of Lolium perenne L. at (three levels of water,temperature,fertilizer) (different environmental factors) under single and compound stresses of Cu and Pb

表3—4為不同環(huán)境因子處理對(duì)植物富集Cu、Pb含量的影響所進(jìn)行的方差分析,結(jié)果顯示：在Cu、Pb單一脅迫條件下,黑麥草的根部Cu富集量及地上部Pb富集量受到水分、溫度、肥料以及其二因素、三因素交互作用的極顯著影響(P<0.01)；而黑麥草地上部對(duì)Cu的富集量?jī)H表現(xiàn)出受水分、溫度的極顯著影響,同時(shí),水分和溫度以及溫度和肥料之間也表現(xiàn)出極顯著的交互作用；黑麥草根部對(duì)Pb的富集則受水分和溫度交互以及三因素交互的顯著影響(P<0.05),其他因素影響極顯著。在Cu、Pb復(fù)合脅迫條件下,除肥料對(duì)地上部Cu富集量、水分和溫度的交互作用對(duì)根部Cu富集量無顯著影響外,其他各因素及其交互作用均表現(xiàn)出對(duì)黑麥草富集Cu、Pb含量的極顯著影響。

表3 單一脅迫下不同環(huán)境因子處理及其組合對(duì)黑麥草富集Cu、Pb含量影響的方差分析

表4 復(fù)合脅迫下不同環(huán)境因子處理及其組合對(duì)黑麥草富集Cu、Pb含量影響的方差分析

2.3 Cu、Pb脅迫下環(huán)境因子交互對(duì)黑麥草Cu、Pb富集及轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)的影響

由表5可以看出,在不同環(huán)境因子組合下,黑麥草的地上部和根部對(duì)Cu的富集系數(shù)有較大差異,基本體現(xiàn)為地上部BCF(Cu)<1,根部BCF(Cu)>1。分析Cu富集系數(shù)可知,在25℃、施NP時(shí),黑麥草地上部在Cu單一污染下富集能力較強(qiáng),而在Cu-Pb復(fù)合污染時(shí),地上部在相同溫度施NPK時(shí)BCF(Cu)最高；在20℃及30℃施N、NP條件下,復(fù)合污染處理在不同程度上提升了地上部BCF(Cu)。在90%WHC、25℃及施NPK時(shí),黑麥草根部在Cu單一污染下取得BCF(Cu)max,而在Cu-Pb復(fù)合污染時(shí),根部在20℃的相同水分和養(yǎng)分條件下富集系數(shù)最高；在不同溫度和水分,施NP、NPK肥條件下,復(fù)合污染處理在不同程度上提升了根部BCF(Cu)。

表5 Cu、Pb單一及復(fù)合脅迫下不同環(huán)境因子組合時(shí)黑麥草對(duì)Cu、Pb的富集系數(shù)

在不同環(huán)境因子組合下,黑麥草的地上部和根部對(duì)Pb的富集系數(shù)高于Cu,且在相對(duì)適宜的環(huán)境條件下,存在地上部BCF(Pb)>1。分析Pb富集系數(shù)可知,在90%WHC、30℃及施NPK時(shí),黑麥草地上部在Pb單一污染下富集系數(shù)最大,而在Cu-Pb復(fù)合污染時(shí),地上部則在相同溫度,80%WHC及施N時(shí)具有最大值且高于單一污染時(shí)系數(shù)；在20℃及25℃施N、NP條件下,復(fù)合污染處理在不同程度上提升了地上部對(duì)BCF(Pb)。在90%WHC、25℃及施NP時(shí),黑麥草根部在Pb單一污染下取得BCF(Pb)max,而在Cu-Pb復(fù)合污染時(shí),根部相同溫度和水分,施NPK條件下富集系數(shù)最高；此外,復(fù)合污染處理均在不同程度上提升了根部BCF(Pb)。

對(duì)水分、溫度和肥料在銅鉛脅迫下對(duì)黑麥草富集系數(shù)的影響進(jìn)行單因素及多因素方差分析,結(jié)果顯示：在Cu單一脅迫條件下,黑麥草的地上部BCF(Cu)受到水分、溫度、肥料以及水分與溫度組合、溫度與肥料組合交互作用的極顯著影響(P<0.01),而根部BCF(Cu)均受到3種環(huán)境因子及其二因素、三因素交互作用的顯著(P<0.05)或極顯著影響；當(dāng)受到Cu-Pb復(fù)合脅迫時(shí),各因子及其多因素交互作用除溫度、肥料因子對(duì)地上部BCF(Cu),水分與溫度組合對(duì)根部BCF(Cu)無顯著影響外,均對(duì)黑麥草地上部及根部BCF(Cu)有顯著或極顯著影響。而黑麥草BCF(Pb)除在單一脅迫時(shí)受水分與肥料互作不顯著外,均受到各因子及其多因素交互作用的顯著或極顯著影響。

表6為黑麥草在不同環(huán)境條件及單一、復(fù)合污染處理下對(duì)Cu、Pb的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)。結(jié)果表明,僅在90%WHC、30℃及施NPK時(shí),黑麥草TF(Pb)最大為1.002>1,其余各環(huán)境因子組合下TF(Pb)<1。在20℃、施N肥各水分處理,施NP肥90%WHC水分處理,施NPK肥70%WHC水分處理及25℃、施NPK肥70、80%WHC水分處理；30℃、施N肥70、90%WHC水分處理,施NP肥70%WHC水分處理共10組處理組合中,復(fù)合污染處理在不同程度上提高了黑麥草的TF(Cu)。此外,復(fù)合脅迫也在25℃、施N肥90%WHC水分處理,施NP肥各水分處理,施NPK肥90%WHC水分處理及30℃、施N肥70、80%WHC水分處理共7組處理組合中提高了TF(Pb),其余均表現(xiàn)為降低作用。

表6 Cu、Pb單一及復(fù)合脅迫下不同環(huán)境因子組合時(shí)黑麥草對(duì)Cu、Pb的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)

通過三種環(huán)境因子單因素及多因素方差分析結(jié)果可知：在單一Cu脅迫下,黑麥草TF(Cu)受到肥料的顯著影響(P<0.05),水分、溫度以及各二因素、三因素交互作用的極顯著影響(P<0.01),而在復(fù)合脅迫下,TF(Cu)僅表現(xiàn)出受水分及三因素兩兩組合間交互作用的極顯著影響。在單一Pb脅迫下,水分、溫度及肥料對(duì)黑麥草TF(Pb)無顯著作用,而水分與溫度組合、溫度與肥料組合及三因素交互作用對(duì)其TF(Pb)的變化起到顯著或極顯著的作用；在復(fù)合Cu-Pb脅迫條件下,黑麥草TF(Pb)受到各環(huán)境因子及其交互作用的極顯著影響。

3 討論

黑麥草作為新型修復(fù)型牧草,對(duì)重金屬鎘、銅、鉛、鋅均有一定的富集能力。黑麥草對(duì)Cu、Pb的富集性能也已經(jīng)開展了多方面的研究。如劉大林等[18]、陳鳴暉等[19]探究了黑麥草的不同品種及植株的不同部位對(duì)Cu耐受能力的影響。劉明美等[20]研究發(fā)現(xiàn),不同的Pb2+處理濃度對(duì)黑麥草種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的作用不同,表現(xiàn)為低濃度促進(jìn),高濃度抑制(以800 mg/kg為界),且對(duì)根的抑制作用強(qiáng)于芽。胡偉等[21]研究表明,黑麥草在Pb脅迫土壤中的生長(zhǎng)促進(jìn)了殘?jiān)鼞B(tài)鉛向可氧化態(tài)及可還原態(tài)鉛的轉(zhuǎn)化,使鉛由沉淀狀態(tài)不斷轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇軕B(tài)?？梢园l(fā)現(xiàn),黑麥草對(duì)Cu、Pb的富集能力將受到植物品種、生育期、吸收部位以及重金屬化合物形態(tài)等多種因素的影響,具有一定的波動(dòng)范圍；同時(shí),本試驗(yàn)結(jié)果表明,復(fù)合重金屬脅迫條件也能對(duì)黑麥草對(duì)單一Cu、Pb的富集與轉(zhuǎn)移產(chǎn)生影響,這可能與Cu、Pb兩者之間所具有的交互作用有關(guān)。除此之外,還可通過控制適宜的環(huán)境要素使植物在給定條件下將其富集性能發(fā)揮至最大限度。而多種環(huán)境因子進(jìn)行交互作用正是植物生長(zhǎng)過程中所存在的實(shí)際現(xiàn)象。因此,在充分研究單因子作用的基礎(chǔ)上再進(jìn)一步探究各個(gè)因子之間的作用具有意義。

水分不僅是植物新陳代謝的溶劑,運(yùn)輸營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的載體,還能通過影響土壤pH、Eh、有機(jī)質(zhì)和碳酸鈣含量等土壤化學(xué)生物特性[22],間接引起重金屬在土壤中分配及遷移的改變,并進(jìn)一步影響植物生物量及重金屬含量[23- 25]。Angle等[25]研究得到,遏藍(lán)菜等超富集植物葉片中的重金屬含量在土壤80%或100%WHC下會(huì)得到提高。而對(duì)于伴礦景天來說,莖葉Cd富集量隨土壤水分的增大先升高后降低,并在70%WHC時(shí)取得最大值[23]。本試驗(yàn)中,黑麥草在80%或90%WHC下易取得較大Cu、Pb富集量,同時(shí)主要在90%WHC時(shí)具有較高生物量。這表明不同的植物具有不同的最適水分含量,對(duì)其進(jìn)行針對(duì)性探究有利于在實(shí)際應(yīng)用中合理提供水分供給。

肥料作為植物營(yíng)養(yǎng)元素補(bǔ)充的主要來源,在植物生長(zhǎng)與生物量積累過程中起到重要作用,但與此同時(shí)也將不可避免地引入一些毒害成分,對(duì)土壤和植物中的重金屬富集造成影響[26- 27]。常見的化肥包括氮、磷、鉀肥。黑麥草一年可刈割多次,養(yǎng)分管理粗放,通常施用氮肥。相關(guān)研究表明,磷肥、鉀肥同樣能促進(jìn)黑麥草對(duì)養(yǎng)分的吸收,增加生物量積累[28],且增產(chǎn)效果為N>P>K[17],這可能從植物生長(zhǎng)角度影響植物的修復(fù)效率。而王美和李書田[29]對(duì)施肥影響重金屬累積研究進(jìn)展進(jìn)行了大量相關(guān)文獻(xiàn)的系統(tǒng)分析后,總結(jié)配施氮、磷、鉀肥后土壤各金屬含量在一定范圍內(nèi)波動(dòng),無明顯升降規(guī)律,這與本試驗(yàn)中對(duì)養(yǎng)分的研究結(jié)果相類似,認(rèn)為肥料中的養(yǎng)分不是影響黑麥草富集能力的主要單因子,如肥料對(duì)黑麥草地上部的Cu富集量無顯著影響。但也要意識(shí)到,植物對(duì)不同形態(tài)重金屬的吸收利用不同,其中可交換態(tài)的利用程度最大[30]。一些研究認(rèn)為,氮、鉀肥對(duì)土壤重金屬累積的影響不大,而磷肥可與重金屬形成多種形態(tài)的難溶性磷酸鹽,降低土壤的污染程度[31]；但也有研究表明,磷肥是造成研究所開展的試驗(yàn)區(qū)內(nèi)土壤 Cd、Pb等重金屬富集的主要原因[32]。因此,有關(guān)各種肥料及施肥方式與土壤重金屬含量之間的關(guān)系還有待進(jìn)一步研究。

此外,溫度對(duì)植物生長(zhǎng)和重金屬轉(zhuǎn)運(yùn)的影響也不可忽視,不僅能通過植物酶促反應(yīng)、蒸騰作用等各項(xiàng)生理活動(dòng)直接影響植物生長(zhǎng)發(fā)育過程[13],也將引起土壤重金屬存在形態(tài)的改變。研究發(fā)現(xiàn),高溫下黑麥草的生長(zhǎng)速率減慢,但植物體內(nèi)游離脯氨酸等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)顯著增加,表現(xiàn)出一定的抵抗逆境能力；低溫下相應(yīng)指標(biāo)則得到一定積累[33]。本試驗(yàn)反映出黑麥草在幾個(gè)相近普適溫度下的富集能力差異,未進(jìn)行極端高溫和低溫的溫度設(shè)置。但可以發(fā)現(xiàn),黑麥草在25℃或30℃下對(duì)Cu、Pb的總體修復(fù)性能較強(qiáng),20℃不利于黑麥草的生長(zhǎng)與金屬富集。

綜合分析黑麥草不同部位的生長(zhǎng)與富集情況,認(rèn)為在Cu單一污染下,選擇90%WHC、施NPK,30℃及25℃因子組合；在Pb單一污染下,選擇90%WHC、施N或NPK,30℃因子組合；受Cu-Pb復(fù)合污染時(shí),黑麥草的生長(zhǎng)受到抑制作用,在90%WHC、30℃及施NPK時(shí)對(duì)Cu、Pb的綜合修復(fù)作用較佳。黑麥草對(duì)Cu、Pb的富集及轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)表明,黑麥草對(duì)Cu、Pb具有一定的富集能力,并會(huì)隨著水分、溫度、肥料等環(huán)境因子的改變而發(fā)生變化,但對(duì)Cu、Pb的轉(zhuǎn)運(yùn)能力較弱。方差分析結(jié)果顯示,在水分、溫度、肥料三者中,水分和溫度對(duì)黑麥草Cu、Pb富集能力具有顯著影響,且三因子之間存在二因素及三因素的交互作用。其中在Cu、Pb單一污染脅迫下,受到其二因素交互的顯著影響；在單一及復(fù)合污染中,均在不同程度上受到三因素交互作用的顯著影響。

水分、溫度和肥料是植物生長(zhǎng)過程中的重要環(huán)境因子,在重金屬污染土壤條件下,它們自身以及組合所引起的變化均會(huì)直接影響黑麥草的生長(zhǎng)發(fā)育。相關(guān)研究表明,水分肥料互作能顯著影響植物對(duì)水分的利用率及產(chǎn)量[34],其機(jī)理主要是通過促進(jìn)植物的根系發(fā)育[35]。溫度與土壤溫度、濕度分別呈正相關(guān)、負(fù)相關(guān)關(guān)系,根系的土壤溫度影響植株對(duì)水分的吸收。肖自添等[36]研究表明,植株根系的吸收養(yǎng)分和水分能力將在低溫環(huán)境下隨溫度的降低而下降,此時(shí)增加施肥量會(huì)對(duì)植株造成鹽脅迫。對(duì)于黑麥草富集能力的影響,通過總結(jié)前人研究成果及本試驗(yàn)結(jié)果,認(rèn)為可能通過：(1)對(duì)黑麥草生長(zhǎng)發(fā)育過程的影響間接影響富集能力。修復(fù)植物的生物量是衡量其富集性能的重要指標(biāo)。各環(huán)境因子間存在相互影響制約的關(guān)系,溫度影響水分,水分通過影響植株體內(nèi)物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)及根系的生長(zhǎng),而影響整體生長(zhǎng)情況[37]。根系吸收水分和養(yǎng)分,通過光合作用產(chǎn)生物質(zhì)積累,促進(jìn)植株各器官轉(zhuǎn)化[38]。因此適宜的水肥及溫度組合將促進(jìn)植株的生長(zhǎng),促進(jìn)生物量累積；而過高或過低的水肥及溫度組合反而會(huì)導(dǎo)致相應(yīng)指標(biāo)的下降,不利于植株的正常生長(zhǎng)。(2)對(duì)黑麥草富集能力的直接影響。在本試驗(yàn)研究條件下,幾種環(huán)境因子之間存在的二因素及三因素交互作用,對(duì)土壤pH、粘結(jié)性等具有一定影響,從而使Cu、Pb在土壤中的存在形態(tài)發(fā)生變化,這可能引起了黑麥草Cu、Pb富集性能的變化；此外,黑麥草體內(nèi)脯氨酸、可溶性糖蛋白以及丙二醛等抗性物質(zhì)的含量對(duì)于水分、溫度及肥料交互作用的響應(yīng),也將反映于黑麥草對(duì)Cu、Pb富集性能的改變中。目前環(huán)境因子及其交互對(duì)于黑麥草生長(zhǎng)的影響已進(jìn)行了較多研究,但關(guān)于其對(duì)黑麥草在污染土地中的生長(zhǎng)與富集的影響的文獻(xiàn)論述仍較少,對(duì)于黑麥草在其他不同重金屬及濃度土壤中,三因子交互對(duì)其生長(zhǎng)與富集能力的作用還需進(jìn)一步研究總結(jié)。